Java集合与数据结构 Map 和 Set

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java集合与数据结构 Map 和 Set相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Java集合与数据结构 Map和Set

搜索树

二叉搜索树又称二叉排序树，它或者是一棵空树**，或者是具有以下性质的二叉树:

  • 若它的左子树不为空，则左子树上所有节点的值都小于根节点的值
  • 若它的右子树不为空，则右子树上所有节点的值都大于根节点的值
  • 它的左右子树也分别为二叉搜索树

操作：查找、插入、删除

逻辑代码：

class BinarySearchTree {
    static class BSNode {
        public int val;
        public BSNode left;
        public BSNode right;

        public BSNode(int val) {
            this.val = val;
        }
    }
    public BSNode root = null;

    /*
    查找
     */
    public BSNode search(int val) {
        if(root == null) return null;
        BSNode cur = root;
        while (cur != null) {
            if(cur.val == val) {
                return cur;
            }else if(cur.val < val) {
                cur = cur.right;
            }else {
                cur = cur.left;
            }
        }
        return null;
    }

    /*
    插入
     */
    public boolean insert(int val) {
        BSNode bsNode = new BSNode(val);
        if(root == null) {
            root = bsNode;
            return true;
        }
        BSNode cur = root;
        BSNode parent = null;

        while (cur != null) {
            if(cur.val == val) {
                return false;
            }else if(cur.val < val) {
                parent = cur;
                cur = cur.right;
            }else {
                parent = cur;
                cur = cur.left;
            }
        }
        if(parent.val < val) {
            parent.right = bsNode;
        }else {
            parent.left = bsNode;
        }
        return true;
    }

    /*
    删除
     */
    public void remove(int val) {
        if (root == null) return;
        BSNode cur = root;
        BSNode parent = null;
        while (cur != null) {
            if (cur.val == val) {
                removeNode(parent,cur,val);
                return;
            } else if (cur.val < val) {
                parent = cur;
                cur = cur.right;
            } else {
                parent = cur;
                cur = cur.left;
            }
        }
    }

    public void removeNode(BSNode parent, BSNode cur, int val) {
        if (cur.left == null) {
            if (root == cur) {
                root = cur.right;
            } else if (parent.left == cur) {
                parent.left = cur.right;
            } else {
               parent.right = cur.right;
            }
        } else if (cur.right == null) {
            if (root == cur) {
                root = cur.left;
            } else if (parent.left == cur) {
                parent.left = cur.left;
            } else {
                parent.right = cur.left;
            }
        } else {
            BSNode targetParent =cur;
            BSNode target = cur.right;
            while (target.left != null) {
                targetParent = target;
                target = target.left;
            }
            cur.val = target.val;
            if (target == targetParent.left) {
                targetParent.left = target.right;
            } else {
                targetParent.right = target.right;
            }

        }
    }
}

查找逻辑：

插入逻辑：

删除逻辑： 设待删除结点为 cur, 待删除结点的双亲结点为 parent

  1. cur.left == null 若 cur 是 root，则 root = cur.right 若 cur 不是 root，cur 是 parent.left，则 parent.left = cur.right 若 cur 不是 root，cur 是 parent.right，则 parent.right = cur.right
  2. cur.right == null 若 cur 是 root，则 root = cur.left 若 cur 不是 root，cur 是 parent.left，则 parent.left = cur.left 若 cur 不是 root，cur 是 parent.right，则 parent.right = cur.left
  3. cur.left != null && cur.right != null 需要使用替换法进行删除，即在它的右子树中寻找中序下的第一个结点(关键码最小)，用它的值填补到被删除节点中，再来处理该结点的删除问题。

测试代码：

public class TestDemo {
    public static void preOrder(BinarySearchTree.BSNode root) {
        if(root == null) {
            return;
        }
        System.out.print(root.val+" ");
        preOrder(root.left);
        preOrder(root.right);
    }

    public static void inOrder(BinarySearchTree.BSNode root) {
        if(root == null) {
            return;
        }
        inOrder(root.left);
        System.out.print(root.val+" ");
        inOrder(root.right);
    }

    public static void main(String[] args) {
        BinarySearchTree binarySearchTree = new BinarySearchTree();
        binarySearchTree.insert(6);
        binarySearchTree.insert(4);
        binarySearchTree.insert(3);
        binarySearchTree.insert(1);
        binarySearchTree.insert(9);
        binarySearchTree.insert(15);
        binarySearchTree.insert(8);
        binarySearchTree.insert(11);
        preOrder(binarySearchTree.root);
        System.out.println();
        inOrder(binarySearchTree.root);
        System.out.println();
        //查找节点5
        try {
            BinarySearchTree.BSNode ret = binarySearchTree.search(6);
            System.out.println("找到该节点:" + ret.val);
        }catch (NullPointerException e) {
            System.out.println("没有找到该节点~");
        }
        //查找节点14
        try {
            BinarySearchTree.BSNode ret = binarySearchTree.search(14);
            System.out.println(ret.val);
        }catch (NullPointerException e) {
            System.out.println("没有找到当前的节点~");
        }
        System.out.println("======删除15节点======");
        binarySearchTree.remove(15);
        preOrder(binarySearchTree.root);
        System.out.println();
        inOrder(binarySearchTree.root);
        System.out.println();
        System.out.println("======删除6节点======");
        binarySearchTree.remove(6);
        preOrder(binarySearchTree.root);
        System.out.println();
        inOrder(binarySearchTree.root);
        System.out.println();
    }
}

此代码的运行结果为：

性能分析

插入和删除操作都必须先查找，查找效率代表了二叉搜索树中各个操作的性能。

对有n个结点的二叉搜索树，若每个元素查找的概率相等，则二叉搜索树平均查找长度是结点在二叉搜索树的深度的函数，即结点越深，则比较次数越多。

但对于同一个关键码集合，如果各关键码插入的次序不同，可能得到不同结构的二叉搜索树：

最优情况下，二叉搜索树为完全二叉树，其时间复杂度：O(logN)
最差情况下，二叉搜索树退化为单支树，其时间复杂度： O(N)

搜索

Map和set是一种专门用来进行搜索的容器或者数据结构，其搜索的效率与其具体的实例化子类有关。

搜索方式有：

  1. 直接遍历，时间复杂度为O(N)，元素如果比较多效率会非常慢
  2. 二分查找，时间复杂度为O(logN) ,但搜索前必须要求序列是有序的

上述排序比较适合静态类型的查找，即一般不会对区间进行插入和删除操作了，而现实中的查找比如：

  1. 根据姓名查询考试成绩
  2. 通讯录，即根据姓名查询联系方式
  3. 不重复集合，即需要先搜索关键字是否已经在集合中

可能在查找时进行一些插入和删除的操作，即动态查找，那上述两种方式就不太适合了，Map和Set是一种适合动态查找的集合容器。

模型

一般把搜索的数据称为关键字（Key），和关键字对应的称为值（Value），将其称之为Key-value的键值对

模型会有两种：

  1. 纯key 模型，比如：
  • 有一个英文词典，快速查找一个单词是否在词典中 。
  • 快速查找某个名字在不在通讯录中。
  1. Key-Value 模型，比如：
  • 统计文件中每个单词出现的次数，统计结果是每个单词都有与其对应的次数：<单词，单词出现的次数>。
  • 梁山好汉的江湖绰号：每个好汉都有自己的江湖绰号。

Map中存储的就是key-value的键值对，Set中只存储了Key。

Map 的使用

关于Map的说明

Map是一个接口类，该类没有继承自Collection，该类中存储的是<K,V>结构的键值对，并且K一定是唯一的，不能重复。

关于Map.Entry< K , V >的说明

Map.Entry<K, V> 是Map内部实现的用来存放<key, value>键值对映射关系的内部类，该内部类中主要提供了<key, value>的获取，value的设置以及Key的比较方式。

方法解释
K getKey()返回 entry 中的 key
V getValue()返回 entry 中的 value
V setValue(V value)将键值对中的value替换为指定value

注意：Map.Entry<K,V>并没有提供设置Key的方法

Map 的常用方法说明

方法解释
V get(Object key)返回 key 对应的 value
V getOrDefault(Object key, V defaultValue)返回 key 对应的 value，key 不存在，返回默认值
V put(K key, V value)设置 key 对应的 value
V remove(Object key)删除 key 对应的映射关系
Set< K> keySet()返回所有 key 的不重复集合
Collection< V > values()返回所有 value 的可重复集合
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet()返回所有的 key-value 映射关系
boolean containsKey(Object key)判断是否包含 key
boolean containsValue(Object value)判断是否包含 value

注意：

  1. Map是一个接口，不能直接实例化对象，如果要实例化对象只能实例化其实现类TreeMap或者HashMap
  2. Map中存放键值对的Key是唯一的，value是可以重复的
  3. Map中的Key可以全部分离出来，存储到Set中来进行访问(因为Key不能重复)。
  4. Map中的value可以全部分离出来，存储在Collection的任何一个子集合中(value可能有重复)。
  5. Map中键值对的Key不能直接修改，value可以修改，如果要修改key，只能先将该key删除掉，然后再来进行重新插入。

TreeMap和HashMap的区别

Map底层结构TreeMapHashMap
底层结构红黑树哈希桶
插入/删除/查找时间复杂度O(log2N)O(1)
是否有序关于Key有序无序
线程安全不安全不安全
插入/删除/查找区别需要进行元素比较通过哈希函数计算哈希地址
比较与覆写key必须能够比较，否则会抛出ClassCastException异常自定义类型需要覆写equals和hashCode方法
应用场景需要Key有序场景下Key是否有序不关心，需要更高的时间性能

Set的使用

Set与Map主要的不同有两点：Set是继承自Collection的接口类，Set中只存储了Key。

常见方法说明

方法解释
boolean add(E e)添加元素，但重复元素不会被添加成功
void clear()清空集合
boolean contains(Object o)判断 o 是否在集合中
Iterator< E > iterator()返回迭代器
boolean remove(Object o)删除集合中的 o
int size()返回set中元素的个数
boolean isEmpty()检测set是否为空，空返回true，否则返回false
Object[] toArray()将set中的元素转换为数组返回
boolean containsAll(Collection<?> c)集合c中的元素是否在set中全部存在，是返回true，否则返回false
boolean addAll(Collection<? extends E> c)将集合c中的元素添加到set中，可以达到去重的效果

注意：

  1. Set是继承自Collection的一个接口类
  2. Set中只存储了key，并且要求key一定要唯一
  3. Set的底层是使用Map来实现的，其使用key与Object的一个默认对象作为键值对插入到Map中的
  4. Set最大的功能就是对集合中的元素进行去重
  5. 实现Set接口的常用类有TreeSet和HashSet，还有一个LinkedHashSet，LinkedHashSet是在HashSet的基础上维护了一个双向链表来记录元素的插入次序。
  6. Set中的Key不能修改，如果要修改，先将原来的删除掉，然后再重新插入

TreeSet和HashSet的区别

Set底层结构TreeSetHashSet
底层结构红黑树哈希桶
插入/删除/查找时间复杂度O(log2N)O(1)
是否有序关于Key有序不一定有序
线程安全不安全不安全
插入/删除/查找区别按照红黑树的特性来进行插入和删除先计算key哈希地址，然后进行插入和删除
比较与覆写key必须能够比较，否则会抛出ClassCastException异常自定义类型需要覆写equals和hashCode方法
应用场景需要Key有序场景下Key是否有序不关心，需要更高的时间性能

Map 和 Set 试题练习

只出现一次的数字

只出现一次的数字力扣链接

class Solution {
    public int singleNumber(int[] nums) {
        HashSet<Integer> set = new HashSet<>();
        for(int i = 0;i < nums.length;i++) {
            if (set.contains(nums[i])) {
                set.remove(nums[i]);
            } else {
                set.add(nums[i]);
            }
        }
        for(int i = 0;i < nums.length;i++) {
            if (set.contains(nums[i])) {
                return nums[i];
            } 
        }
        return -1;
    }
}

使用Set方法解决本题。

复制带随机指针的链表

复制带随机指针的链表力扣链接

class Solution {
    public Node copyRandomList(Node head) {
        if (head == null) return null;
        HashMap<Node,Node> map = new HashMap<>();
        Node cur = head;
        while (cur != null) {
            Node node = new Node(cur.val);
            map.put(cur,node);
            cur = cur.next;
        }
        cur = head;
        while (cur != null) {
            map.get(cur).next = map.get(cur.next);
            map.get(cur).random = map.get(cur.random);
            cur = cur.next;
        }
        return map.get(head);
    }
}

该代码通过测试。

宝石与石头

宝石与石头力扣链接

class Solution {
    public int numJewelsInStones(String jewels, String stones) {
        HashSet<Character> set = new HashSet<>();
        int count = 0;
        for(char ch:jewels.toCharArray()) {
            set.add(ch);
        }

        for(char ch:stones.toCharArray()) {
            if(set.contains(ch)) {
                count++;
            }
        }
        return count;
    }
}

该代码通过测试。

坏键盘打字

坏键盘打字牛客链接

import java.util.*;

public class Main {
    public static void function(String strExc,String strAct) {
        HashSet<Character> setAct = new HashSet<>();
        for (char ch:strAct.toUpperCase().toCharArray()) {
            setAct.add(ch);
        }
        
        HashSet<Character> setBroken = new HashSet<>();
        for (char ch:strExc.toUpperCase().toCharArray()) {
            if (!setAct.contains(ch) && !setBroken.contains(ch)) {
                setBroken.add(ch);
                System.out.print(ch);
            }
        }
    }
    
    public static void main(StringJava集合与数据结构 Map 和 Set


 Java集合与数据结构 Map 和 Set


 java中Map,List与Set的区别（转）


 Java中的Set,List,Map的区别


 java的集合类（MapList与Set比较）


 Java中Map,List与Set的区别